Файл: Филиппов, Е. М. Ядерные разведчики земных и космических объектов.pdf

§ 9. ЯДЕРИЫЕ ПРИШЕЛЬЦЫ ИЗ КОСМОСА

Верхние слои земной атмосферы постоянно находятся под воздействием космического излучения. Уже на заре развития атомной и ядерной физики ученые начали изучать космическое излучение. Первые исследования проводились на уровне моря и на склонах и вершинах высоких гор. При этом физики в основ­ ном имели дело с вторичными частицами, возникающими под действием первичного космического излучения с ядрами атомов верхних слоев земной атмосферы.

Верхние слои атмосферы стали доступны исследователям лишь при запуске ракет и искусственных спутников. Путем за­ пуска ИСЗ удалось вывести аппаратуру за пределы земной атмо­ сферы и начать изучение космического излучения вне сферы дей­ ствия магнитного поля Земли. В результате проведенных всесто­ ронних исследований было установлено, что космическое излуче­ ние, достигающее верхних слоев атмосферы, состоит в основном из протонов (~85% ) и альфа-частиц ( — 15%). Энергия этих частиц меняется от 103 до 104 МэВ, а потоки — примерно от 0,01 (экватор) до 0,3 (полюс) частиц/см2 с. стер. Кроме протонов и альфа-частиц в космическом излучении в ничтожном количестве присутствуют ядра атомов других химических элементов с атом­ ным номером обычно не свыше 50 (олова), а также нейтронное из­ лучение. При вспышках на Солнце величина потоков нейтронов мо­ жет превосходить указанные выше потоки заряженных частиц.

Под действием потоков заряженных частиц около Земли обра­ зуются радиационные пояса: внутренний и внешний, открытые с помощью спутников и космических ракет. Потоки частиц в этих поясах превышают нормальные потоки космического излучения в 100 млн. раз. Положение поясов вокруг Земли демонстрирует­

30

Область минимума для электронов с энергией менее 100 кэВ оказалась слабо выражен-ной, а для протонов с энергией ~ 1—2 МэВ в этой области, наоборот, наблюдался максимум интенсивности. Было установлено также, что радиация во внут­ реннем поясе практически не меняется, в то время как во внешнем поясе радиация со временем меняется как по интенсив­ ности, так и по положению в пространстве.

Взаимодействие высокоэнергетичного излучения с атомами земной атмосферы приводит, как уже отмечалось, к возникнове­ нию вторичного излучения сложного состава. Здесь же возника­ ют и нейтроны, формирующие при своем распаде внутренний протонный пояс. Торможение низкоэнергетических электронов на атомах в верхних слоях атмосферы приводит к появлению мягко­ го рентгентовского излучения, которое поглощается в верхних частях атмосферы и не достигает поверхности Земли.

Поверхности Земли достигает главным образом только вто­ ричное излучение (обусловленное высокоэнергетичными части­ цами), которое подразделяется на мягкую и жесткую компонен­ ты. Мягкая компонента состоит из электронов, позитронов и фо­ тонов и по своей проникающей способности близка к гам­ ма-излучению радиоактивных элементов, жесткая компонента в основном состоит из ц-мезонов и обладает высокой проникающей способностью.

Рис. 2.9. Геологический разрез и кривые космического излучения по про­ филям через медноколчеданное месторождение:

6 и 7 — разновидности порфнритов; 8 к 9 — соответственно наблюденная и расчет­ ная кривые интенсивности космического излучения.

31

На уровне моря интенсивность космического излучения сос­ тавляет около 1,45 частпц/см2• мин, что соответствует ценообра­ зованию около 1,9 пар нонов/см3-с. С высотой интенсивность ио­ низации под действием космической радиации возрастает.

Жесткая компонента космического излучения в силу своей высокой проницаемости по сравнению с излучением естественных радиоактивных элементов, может быть обнаружена па глубине до 3 км под землей. Регистрируя это космическое излучение в под­ земных горных выработках и в буровых скважинах с помощью радиометров-телескопов, можно судить о вышележащей толще пород: о их мощности и плотности. При этом можно выявлять руд­ ные тела, отличающиеся по плотности от вмещающих пород,— карстовые полости, зоны дробления и т. д. В качестве иллюстра­ ций применения этого метода приведены данные по выявлению рудных тел и других пород (рис. 2.9): рудное тело выявляется минимальными, а известняки максимальными значениями реги­ стрируемого излучения.

Археологи стали использовать рассматриваемый метод для изучения пирамид с целью выявления в них полостей и т. п.

§ 10. ГАММА-КВАНТЫ РАСКРЫВАЮТ ТАИНЫ ЛУННЫХ ПОРОД

Отсутствие у Луны атмосферы позволяет осуществлять реги­ страцию гамма-излучения верхнего слоя пород непосредственно с орбиты лунного спутника. Впервые такие исследования прове­ дены в апреле 1966 г., после вывода 3 апреля 1966 г. па орбиту Луны спутника «Лупа-10». Минимальное удаление этого спутника от Луны составляло 350 км, максимальное— 1015 км. Измерение гамма-излучения осуществлялось с помощью 32-канального анализатора. Спектр гаммма-излучения измерялся в двух интер­ валах: а) от 0,15 до 1,5 МэВ и б) от 0,3 до 3,1 МэВ. Диапазоны переключались путем подачи по радио команд с Земли на стан­ цию.

Аппаратура перед отправкой в космический полет была про­ градуирована в земных условиях. На основе полученных данных рассчитан спектр гамма-излучения для разных горных пород земного происхождения, содержащих различные концентрации радиоактивных элементов, соответствующие главным типам гор­ ных пород (рис. 2.10).

Отсутствие атмосферы на Луне приводит к тому, что ее по­ верхность постоянно бомбардируется потоками космических час­ тиц (см. предыдущий параграф). Под действием этого излучения на ядрах атомов горных пород Луны постоянно образуются ра­ диоактивные изотопы космогенного происхождения. Поэтому на показания детекторов помимо излучения радиоактивных элемен­ тов постоянно действует и излучение, активируемых изотопов. Использованная гамма-спектрометрическая аппаратура на «Лу­ не-10» позволила раздельно определить ту и другую радиоактив­ ности лунных пород.

32

§ 11. ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ В РАЗВЕДКЕ ТАИН ВЕНЕРЫ

Венера — одна из наших ближайших планет-соседок. Она гораздо ближе к Солнцу, чем Земля. Так, среднее расстояние Венеры от Солнца составляет около 100 млн. км, а Земли от Солнца — около 150 млн. Другим соседом является Марс, рас­ полагающийся на расстоянии около 230 млн. км от Солнца. Рас­ стояние Венеры от Земли меняется от 40 до 260 млн. км, а Мар­ са— от 55 до 400 млн. км. Эти планеты, ближайшие к Земле, и явились после Луны первоочередными объектами исследований с помощью космических станций.

Космические корабли достигают Луны, расположенной от Земли на расстояние около 380 тыс. км, за трое суток. Для дости­

жения же ими Венеры и Марса требуется соответственно около 4 и 6 месяцев. Для того, чтобы послать космонавтов в длительное путешествие на 8—12 месяцев, человечество пока еще не готово, поэтому первостепенное значение в изучении Венеры и Марса приобретают автоматические космические станции. Оборудова­ ние этих станций различной аппаратурой позволило получить це­ лый ряд сведений о ближайших планетах. С помощью космиче­ ской станции «Венера-8», преодолевшей свыше 300 млн. км, 22 июля 1972 г. на поверхность Венеры был высажен аппарат, на борту которого имелся гамма-спектрометрический датчик, позволивший измерить гамма-излучение естественно-радиоактив­ ных элементов, содержащихся в горных породах Венеры места посадки станции.

Наличие у Венеры атмосферы (97% углекислого газа, около 2% азота, около 1% водяного пара и менее 0,1% кислорода) с давлением у поверхности пород, в 100 раз большим земного, не позволяет по замерам с орбитальной станции судить о содержа­ нии в породах радиоактивных элементов. Поэтому для измере­ ния естественной радиоактивности горных пород Венеры ученые вынуждены были высадить соответствующую аппаратуру на ее поверхность.

В связи с тем, что температура на поверхности Венеры около 500°С, спектрометрический датчик, располагавшийся внутри станции мог регистрировать гамма-излучение с энергией от 0,3 МэВ и выше (доЗМ эВ ). Излучение с энергией ниже 0,3 МэВ поглощалось в герметичной оболочке станции.

Градуировка спектрометрического датчика велась в земных условиях. В результате были получены данные, аналогичные показанным на рис. 2.9. По результатам такой градуировки в точке посадки аппарата в породах определено содержание эле­ ментов в следующих количествах (вес. %): калий — 4, уран — 2-10~4 и торий — 6,5-10-4. Эти величины отвечают концентраци­ ям радиоактивных элементов в земных породах типа гранитов.

По отражению радиоволн от поверхностного слоя пород

Космические аппараты штурмуют и Марс. Так, сейчас к не­ му мчатся четыре советских станции «Марс-4», «Марс-5», «Марс-6» и «Марс-7». Они ведут изучение Космоса на трассе Земля — Марс. С их помощью предполагается комплексное изу­ чение Марса с пролетной траектории, с орбитального спутника и с помощью посадочного аппарата.

§ 12. НА ПУТИ К ЮПИТЕРУ

Космические аппараты изучают не только ближайшие к Земле планеты, но и удаленные от нее. Так, 3 марта 1972 г. американ­ ские ученые запустили в сторону Юпитера космическую станцию

34